2.1 水库建设对下游河流生态环境的综合影响

水库建设运行对下游河流生态环境的影响表现为水沙条件变化引起的一系列生境的变化，进而导致生物多样性的改变。具体如图2.1所示。下文详细阐述大坝建设对水文、水质、水体营养化水平、溶解氧含量、水温、泥沙以及水生态的影响。

2.1.1 对水文过程的影响

自然性扰乱（natural disturbances）是生态学的一个重要概念，是自然界生态系统保持平衡状态和生物多样性的原动力。而对应于自然性扰乱，生态系统具有保持平衡和自我恢复功能，即对于不同程度的扰乱，生态系统具有保持自身平衡状态或逐渐恢复平衡状态的功能。当生态系统失去自然性扰乱或扰乱程度超过生态系统自我恢复能力范围时，生态系统就会失去平衡，生物多样性减少或向另一个系统平衡方向发展。

过去的水电开发研究的重点主要集中在大坝安全和防洪、发电、供水等水资源利用能力上。在实际水库调度运用中汛期以防洪调度为主，尽量削减洪峰，通过平坦化泄流方式提高下游的防洪安全度；非汛期以兴利调度为主，尽量为各种用水户提供较稳定的水量，取水量的增多导致水库下游河流水文过程发生显著变化，地下水位下降、湖泊湿地萎缩，甚至某些河流或河段出现脱水或断流现象，严重威胁着河流健康生命。水库的防洪和兴利调度对河流流量的平坦化作用恰恰抹杀了河流生态系统维持生物多样性和平衡发展的自然动力——扰乱作用。表2.1为基于IHA方法的水文参数及其对生态系统的影响。

图2.1 水库建设运行对下游河流生态环境的直接影响

1）月基流量（1—12月，low flows）：为水生生物提供足够的栖息地；维持适宜的水温、溶解氧和水化学性质；维持地下水位、适于植物生长的土壤湿度；为陆地动物提供饮用水；保持鱼类和两栖类动物的卵悬浮；使鱼类游动进入捕食和产卵区域。

2）极端低流量（extreme low flows）：补充某些滩地植物物种；清除水生群落和河滨群落的外来入侵物种；把猎物集中在有限的区域，有利于捕食。

3）高流量脉冲（high-flow pulses）：塑造河流的物理特征，包括深潭、浅滩等；确定河床基质的粒径大小（砂、砾石、卵石）；阻止河滨植被侵入河道；恢复正常的水质状况，冲刷废物和污染物；在生物产卵的砾石上补充空气，防止淤塞；在河口维持适宜的盐度。

4）小洪水（small floods）：为鱼类提供迁移和产卵的讯息；使鱼类在漫滩产卵，为幼鱼提供保育场所；为鱼类和水禽提供新的捕食机会；回灌地下水；通过延长的洪水泛滥期，维持漫滩森林类型的多样性（不同的植物物种有不同的耐淹度）；控制漫滩植被的分布和丰富度；在漫滩淤积营养物。

5）大洪水（large floods）：维持水生和河滨群落的物种平衡；为补充先锋植被创造场所；形成漫滩的物理栖息地；在产卵区域淤积砾石和卵石；把有机材料（食物）和木质垃圾（栖息地结构）冲刷入河道；清除水生和河滨群落的外来入侵物种；散布河滨植被的种子和果实；促使河道侧向移动，形成新栖息地（二级河道，水湾）；给植物幼苗提供长期的土壤湿度。

2.1.2 对水质的影响

目前，我国水库管理主要注重大坝安全管理和防洪、兴利等功能的充分发挥。对于水库库区开发建设活动的管理、库区环境管理与保护、水质的保护、水库对河流生态环境的影响等没有具体规定。然而，流入水库的河水长时间滞留在水库，容易引起以下几种水质变化现象并直接影响库区和下游河流的水环境和水生态质量状况。

受水力学条件影响，包括有机悬浮物质的沉淀、从底质析出营养盐物质等，水库水质在垂直和水平方向都发生变化。在库区水体中的营养盐在光合作用下，产生一次生产和二次生产。特别是在夏季，库区形成温度分层，在上层和下层之间的水温和营养盐分布具有显著的不同特点。

在营养盐浓度较高的水库，水体滞留时间超过5d时，浮游植物繁殖显著加快，随之水质发生变化。当某种蓝藻类或植物性鞭毛虫类等发生异常繁殖时，水面颜色就会发生变化，见图2.2。

图2.2 水库库区水质变化现象

2.1.3 富营养化与缺氧化

随着水库内氮、磷等营养盐浓度的增高，在光和水温的共同作用下，容易引起富营养化现象。伴随富营养化，水库底层深水区还可能出现缺氧化现象，即死去的动植物残骸沉淀在水库底部，在夏季高温情况下容易发生氧化分解，导致水库底层溶解氧（DO）下降，出现缺氧化现象。分解出来的营养盐又提高水库水营养盐浓度，促进水库富营养化，形成恶性循环。

水库下泄有机物含量较多的水流，直接影响下游河流水质和水生态系统，其原因在于，有机物质在分解过程中消耗水中的溶解氧，导致水体溶解氧含量的降低，这会影响水生动物的呼吸，严重时会导致水生动物出现死亡现象。

2.1.4 冷水与温水现象

照射到水库水面的太阳光线中，波长较长的红外线被最表层水吸收，使水温升高。同时，大气的热传导作用也会使水温升高。而水体的热量损失主要通过水面蒸发、红外放射以及向大气中的热量输送时发生。此外，上游河水的流入和水库下泄时热量的传导以及流动也会对水温结构产生影响，见图2.3。水库水上下层循环不畅，容易形成温跃层，导致水库下泄冷水的现象。而一定库容以上的水库水从春季到秋季储蓄热量，秋季后河流水温逐渐降低，而水库泄流水温比河流水温高，引起水库下泄温水现象。鱼类性腺的发育和成熟产卵与水温有着密切的关系。水库下泄冷水影响幼鱼的成长，可能导致高死亡率的冷水病的发生，温水下泄影响鱼类的产卵和成长周期。

图2.3 水库水面热交换示意图

I—日照；α—反射率；R—长波辐射（水面以及大气间的辐射平衡；影响因素：水温、气温、云量）；LE—潜热（由于水面的水蒸气量与大气中的水蒸气量的差而产生的热交换量；影响因素：湿度、风速、水温）；H—显热（由于气温、水温差而产生的热交换量；影响因素：气温、水温、风速）

2.1.5 浑水水库与气体过饱和现象

水库不同水温层的密度与流入的洪水密度相互作用，容易形成浑水水库现象。与自然河流洪水相比，浑水水库长期下泄浑水导致河水长期混浊，影响鱼类的生存环境，可能导致鱼类和底栖动物的数量减少、影响藻类和水草的生产能力。

高坝下泄洪水通常引起下游相当长的河段水体呈气体过饱和状态，而梯级开发建设的水电站还会引起水体出现过饱和气体等累积效应。气体过饱和不仅会影响鱼类的正常生长，当鱼类长期处于气体过饱和条件时，会出现死亡现象。

上述水库建设运行导致的水体富营养化、缺氧化、冷水、温水、浑水水库、气体过饱和等现象都会对水库和下游河流的景观、娱乐、渔业、城市生活供水、工农业供水等产生影响。因此，从整个流域管理的角度采取综合措施，减轻水库污染；在水库中设置拦污栅，过滤浮游植物；通过曝气等措施在水库内形成循环水流抑制温度层产生；设置分层取水设施，防止出现冷水下泄等情况，在改善水库水环境的同时，减轻水库水质对下游河流生态环境的影响。

2.1.6 对泥沙过程的影响

修建大坝不仅改变了河流流量变化过程，也改变了其他物质循环和能量过程。自然河流的洪水将上游产生的大量泥沙输送到中下游、河口和海岸淤积，形成一种动态平衡状态。在输送过程中形成河道的深、浅、弯、直的形态多样性以及河床材料的交替变化，丰富的栖息环境为河流生物物种的多样性创造了条件。然而，水库修建后，泥沙淤积不仅对水库使用寿命产生直接影响，还使河流泥沙的连续性和动态平衡遭到破坏，最终影响河流生态与环境。主要表现在下泄水流泥沙含量减少导致下游河道冲刷变化，威胁堤防、桥梁等防洪设施和跨河建筑物安全，同时河流地貌形态多样性变化减少，容易形成单一形态的河道，从而使河流生物多样性因失去自然环境基础而逐渐消失；水库对流量的调节作用使流量变幅减小，水流漫滩概率也减少，滩区河床材料及物种失去洪水扰乱作用，导致岸边生物群落向滩地发展，发生滩地树林化现象；水库下游河床细颗粒泥沙被冲走，出现河床材料颗粒粗化现象，影响部分底栖动物的生境而使生物多样性减少；水库下泄流量变化少，导致下游河流细颗粒泥沙淤积在砾石上，影响附着藻类的生长和更新，从而影响部分鱼类的产卵和生息；河流含沙量减少导致海岸线侵蚀和倒退、河口湿地减少、地面下沉等不利影响。

2.1.7 对水生生物的影响

（1）对藻类的影响。

藻类是通过光合作用将氮、磷等营养盐转化为有机物质的最低级的水生植物。其中附生藻类是附着在河床卵石、岩石、底泥和水中植物上硅藻、蓝藻、绿藻等藻类的总称，是底栖动物和鱼类的重要饵料来源，一般分布在河流浅滩流速较快区域（图2.4）。

图2.4 河床卵石及其表面的附着物

（2）对底栖动物的影响。

1）下游河道水面面积的减少直接导致底栖动物生存空间的减少。大坝建设运行后会造成坝下河段减水或脱水，使原本能够为底栖生物提供生存环境的河床大面积减少，底栖生物因裸露缺乏必要的水、食物而死亡。

2）河道水深和流速的降低影响底栖动物生息的水流条件。流速对底栖动物群落的现存量和种类组成影响较大。底栖动物群落的物种丰度、EPT丰度和密度的最大值出现在流速为0.3～1.2m/s的各种底质中。流速降低在一定程度上可使有机碎屑沉积量增加，而有机碎屑是底栖动物很重要的食物来源。

一般来说，底栖动物群落的密度和多样性随水深增加而不断递减。Beisel等指出，河流水深与底栖动物的均匀度呈正相关，与多样性呈负相关。水深为16～50cm的水体中底栖动物群落的物种丰度和生物密度最高，敏感类群也最多。所以，水流过浅时，作为底栖动物重要食物来源的水生植物和底栖动物本身会受到光照的干扰；相反，水流过深，光照的衰减会导致初级生产力降低。

3）部分河床下切变化或河床材料粗化改变底栖动物栖息的基质条件。大坝等工程建设改变了河床底质的冲淤过程和颗粒级配等，水库上游泥沙淤积造成卵石河床被细沙覆盖，使其栖息地条件变得单一，下游河床剧烈冲淤造成底质极不稳定，会使许多底栖动物丧失原有的栖息地。水库下游河床冲刷粗化使得适于生活在淤泥等细颗粒底质中的寡毛类和摇蚊等底栖物种无处藏身，并逐渐消失。

4）水库建成后，能够全面扰动河床材料的洪水大大减少，河床材料扰动的减少可能会导致造网型石蛾的增加。流量的急剧变化和降雨等会对底栖动物造成干扰。Verdonschot研究认为，荷兰软底质平原河流中流量的差异导致了底栖动物分布类型的不同。Alastair和Jowett于2006年测定了底栖动物的密度、物种丰度、EPT丰度和EPT的个体数量所占百分比在分别发生洪水和枯水时的值。研究表明，对于底栖动物群落的结构组成，流量变化比季节变化的影响更重要。底栖动物群落在发生洪水后的变化程度与洪水幅度成比例。不同的流量形态促使不同性质底质的形成，流量变化大但具有稳定不变的底质或流量保持恒定但具有动态的底质类型的河流都是不存在的。

5）河道宽度的减少以及河岸树林的生长能够改善水生昆虫类的饵料环境。河宽为6m的溪流，其河床的生物生产量从岸边到溪流中央要减少一半，河宽为30m的溪流在同样情况下将会减少2/3。河宽小于或等于2m的溪流，其底栖动物的物种丰度和密度约相当于河宽的6～7m溪流的4倍。

（3）对鱼类影响。

对鱼类生息的物理环境的影响包括水流条件的变化和河床基质的变化两个方面。水利水电工程建设运行引起库区水文、生境、饵料生物改变，使水库鱼类群落结构也发生相应变化。以三峡水库尾木洞段鱼类群落结构为例，2003年三峡水库蓄水后的鱼类群落结构为两个类群，并且差异显著。2010—2012年三峡水库经济鱼类监测重点站调查表明，总体上蓄水后库区鱼类群落结构呈现为适应流水生境鱼类数量减少以及适应库区生境的鱼类资源增加，喜流水性鱼类被迫向库尾及上游流水江段迁移等变化。水库大坝引起的河流生境的改变，对流水性鱼类的危害较广。流水性鱼类往往具有复杂的生境要求，并经常进行长距离的迁徙行为来完成其生命周期。河流障碍物导致的栖息地均质化、关键栖息地质量降低与空间萎缩成为鱼类生存瓶颈，导致其数量减少。